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updated 5:10 PM CET, Dec 15, 2017

Rayos X revelan la cortante verdad sobre los dientes del pez loro

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pico del pez loro

Un solo pez loro puede producir cientos de kilos de arena cada año

La estructura cristalina entrelazada es clave para la capacidad de romper los corales

Seguro que pensaste que el gran tiburón blanco que se alimenta de gente ficticia en la película "Tiburón" tenía una poderosa mordida.

Pero no pases por alto la poderosa boca del pez loro: sus resistentes dientes le permiten morder el coral todo el día y, en última instancia, masticarlo y molerlo en arena fina a través de la digestión. Así es: su "pico" crea playas. Un solo pez loro puede producir cientos de kilos de arena cada año.

Ahora, un estudio de científicos, incluidos los del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), reveló una microestructura tejida en cadena similar a una cota de malla que otorga a los dientes del pez loro su notable resistencia y resilencia.

La estructura natural que observaron también proporciona un modelo para crear materiales sintéticos ultraduraderos que podrían ser útiles para componentes mecánicos en electrónica, y en otros dispositivos que sufren movimientos repetitivos, abrasión y estrés por contacto.

Matthew Marcus, un científico que trabaja en Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, que maneja una fuente de rayos X conocida como fuente de luz de sincrotrón que fue integral en el estudio de los peces loro, y se interesó por el pez loro durante una visita de 2012 a la Gran Barrera de Coral de la costa de Australia.

diente de pez loro en 3D

[Imagen ] Esta animación, generada a partir de datos de tomografía microcomputada de rayos X recogidos en Advanced Light Source de Berkeley Lab, muestra una representación en 3-D de un cuarto del pico de un pez loro. La estructura más densa, similar al esmalte (enameloide) se muestra en amarillo y verde, y el tejido óseo (dentina) detrás de cada diente y el hueso circundante se muestra en azul y cian. Crédito: Berkeley Lab

Un vídeo sobre la vida marina que vio en un barco de excursión por el océano le recordó el papel del pez loro al descomponer el coral en arena fina. Principalmente se deleitan con los pólipos y las algas que viven en la superficie de los esqueletos de coral, y ayudan a limpiar los arrecifesarrecifes. La dureza de los dientes del pez loro medida cerca de la superficie de mordedura es de aproximadamente 530 toneladas de presión por pulgada cuadrada, equivalente a una pila de aproximadamente 88 elefantes africanos comprimida en una pulgada cuadrada de espacio.

"Me recordaron que este es un pez que muerde el coral todo el día y es responsable de gran parte de la arena blanca en las playas", dijo Marcus. "Pero, ¿cómo puede este pez comer coral y no perder sus dientes?".

De vuelta en la ALS, Marcus preguntó a Pupa Gilbert, biofísica y profesora del Departamento de Física de la Universidad de Wisconsin-Madison, que estudia cómo producen minerales los seres vivos, si estaba interesada en estudiar los dientes del pez loro.

Gilbert dijo que ella "respondió con entusiasmo" al desafío. Dirigió un equipo internacional en el estudio, recibiendo picos de pez loro de colaboradores en la Polinesia Francesa. Su colaborador de la Universidad Técnica de Nanyang en Singapur, Ali Miserez, profesor asociado que estudia materiales biológicos con propiedades únicas, y su grupo - realizaron mediciones mecánicas para el estudio. Gilbert llevó a cabo la mayoría de los estudios estructurales para comprender cómo funcionan los dientes del pez loro.

Marcus fue el primer autor en este último estudio, dirigido por Gilbert y publicado en línea el 20 de octubre en la revista ACS Nano. Gilbert había incluido previamente a Marcus en uno de sus estudios que se enfocaba en el nácar, el recubrimiento iridiscente resistente a las fracturas conocido como madreperla, que recubre el interior de algunas conchas de moluscos. El nácar ha inspirado el trabajo de I + D para imitar sus propiedades de resistencia utilizando materiales sintéticos.

estructura de un diente de pez loro

Este y otros estudios similares se han basado en una técnica conocida como mapeo PIC (contraste de imágenes dependiente de la polarización), que Gilbert inventó y continúa desarrollando en la ALS. En el mapeo PIC, la polarización de los rayos X se rota para permitir el análisis y la visualización de la orientación del cristal a nanoescala en el nácar y otros biominerales.

"El ALS es el primer lugar donde se realizó el mapeo PIC", dijo Gilbert. "Puedes entender de un vistazo cómo se orienta cada nanocristal en una imagen determinada". Añadió: "Si miras un diente, un hueso, una concha de molusco o una pieza de coral, esto es súper interesante. Te dice cómo están dispuestos los nanocristales uno con respecto al otro. Puedes ver estas bellas imágenes que se ven mejor que el arte abstracto, y aprender cómo se forman y funcionan los biominerales".

En este último estudio, Gilbert, Marcus y Miserez querían ver cómo contribuye a su increíble fuerza la fina estructura cristalina de los dientes del pez loro. Los investigadores pudieron visualizar la orientación de los cristales individuales, que mostraron su estructura intrincadamente tejida.

La fluorapatita, el mineral responsable de la estructura cristalina de los dientes del pez loro, contiene calcio, flúor, fósforo y oxígeno.

El estudio demostró que los cristales de fluorapatita, que dan a los dientes del pez loro su fuerza, cada uno mide aproximadamente 100 nanómetros (milmillonésimas de metro) de ancho y varias micras (millonésimas de metro) de largo, y se ensamblan en haces entretejidos. Los haces disminuyen en diámetro a un promedio de aproximadamente 5 micras a aproximadamente 2 micras hacia la punta de cada diente.

Si bien el esmalte dental de muchas especies diferentes de animales puede parecer similar a los microscopios convencionales, Gilbert señaló que estas imágenes pueden pasar por alto la orientación única de los cristales en la estructura del esmalte de los dientes. Y la orientación del cristal, dijo, "cuenta una gran historia sobre cómo diferentes dientes están especializados para diferentes funciones".

En el caso del pez loro, las filas de dientes en continuo crecimiento, que forman una estructura en forma de pico que constantemente reemplaza a los dientes viejos y desgastados con dientes nuevos, también son parte integral de su comportamiento de alimentación especializada. Solo los quitones tienen dientes más duros que los peces loro, dijo Gilbert, y ningún otro biomineral es más rígido que los dientes de pez loro en su punta mordiente.

filas de dientes de un pez loro[imagen] Esta animación tridimensional en falso color (ver animación más grande) muestra la disposición de filas de dientes de pez loro.

"Los dientes del pez loro son los mejores biominerales de todos", dijo Gilbert. "Son los más rígidos, entre los más duros y los más resistentes a la fractura y a la abrasión jamás medidos". El pez loro tiene alrededor de 1.000 dientes situados en aproximadamente 15 filas, y cada diente se cementa a todos los demás y está rodeado de hueso para formar un pico sólido; los dientes de tiburón, por el contrario, no están interconectados de esta manera.

Las mediciones mecánicas para el estudio, que se centró en muestras de dientes de un pez loro de punta escarpada (Chlorurus microrhinos), encontraron que la dureza y la rigidez aumentan hacia la punta de cada diente. Los experimentos de mapeo de PIC en la ALS revelaron que a medida que aumentan la dureza y la rigidez, el diámetro de los haces de cristal se reduce.

Además del estudio de mapeo PIC, que utilizó una herramienta conocida como microscopio electrónico de emisión (PEEM) en el ALS, experimentos de ALS separados utilizaron una tecnología de imagen tridimensional conocida como microtomografía de rayos X y otro método de rayos X conocido como microdifracción para analizar aún más las orientaciones de los cristales y las deformaciones de los dientes.

enameloide de pez loro[Imagen] Este cuadro (ver más grande) muestra que, a lo largo de la dirección de mordedura, el enameloide del pez loro es uno de los biominerales más rígidos, y junto con el esmalte del tiburón es más duro que otros dientes vertebrados. (Crédito: ACS Nano, 10.1021 / acsnano.7b05044)
http://newscenter.lbl.gov/wp-content/uploads/sites/2/2017/11/biominerals-chart.jpg

"La característica entrelazada y las orientaciones del cristal están completamente abiertas para ser exploradas para la producción de materiales sintéticos", dijo Gilbert. "Tejer es una de las cosas más antiguas que han aprendido a hacer las personas. Se podría pensar en tejer cristales, ya que los cristales se vuelven flexibles cuando son muy delgados".

Gilbert ya señaló que existen muchos trabajos bien desarrollados para replicar la estructura del esmalte humano utilizando métodos de nanofabricación.

Gilbert y Marcus sugirieron que los experimentos futuros en la ELA podrían centrarse en un conjunto separado de dientes (dientes faríngeos) que descomponen aún más las partículas de coral en las gargantas de los peces loro.

"El cielo es el límite en este punto", dijo Gilbert. "Esta primera observación de las propiedades mecánicas es emocionante, y ahora se puede hacer mucho más trabajo sobre las propiedades estructurales".

Artículo científico: Parrotfish Teeth: Stiff Biominerals Whose Microstructure Makes Them Tough and Abrasion-Resistant To Bite Stony Corals

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